一种基于变桨距的低电压穿越控制系统及控制方法.pdf

一种基于变桨距的低电压穿越控制系统及其控制方法，其系统组成为；风力机部分包括风速传感器、风轮和变桨距系统；发电部分包括发电机、多功能仪表和电网；液压传动部分包括第一转速转矩传感器、定量泵、高压管路、第一单向阀、第二单向阀、第二溢流阀、补油泵、补油油箱、安全阀、流量传感器、转速控制器、变量马达、功率控制器、第二转速转矩传感器和低压管路。其控制方法是：在电网出现故障导致电网电压跌落时，从能量根源上减少系统能量的输入，协调能量的原则为变量马达摆角控制优先，将系统中的剩余能量存储到风轮，同时控制变桨距系统比例方向阀的阀口开度，改变液压马达的摆角，进而改变叶片的桨距角，改变系统能量的输入。

权利要求书
1.  一种基于变桨距的低电压穿越控制系统，其特征在于：该系统主要由三部分组成：风力机部分、液压传动部分和发电部分，风力机部分与液压传动部分同轴刚性连接，液压传动部分与发电部分同轴刚性连接；
所述的风力机部分主要包括风速传感器(1)、风轮(2)和变桨距系统；
所述的变桨距系统包括角位移传感器(22)、内齿圈(23)、小齿轮(24)、液压马达(25)、比例方向阀(26)、第一溢流阀(27)、变量泵(28)和第一油箱(29)；其中变量泵(28)的吸油口从第一油箱(29)吸油，变量泵(28)的压油口分别连接第一溢流阀(27)的进油口和比例方向阀(26)的P口，比例方向阀的(26)的出油口A和B分别连接液压马达(25)的两个油口，比例方向阀(26)与功率控制器(17)连接，并由后者输出控制信号，控制比例方向阀(26)的阀口开度，液压马达(25)与小齿轮(24)同轴连接，小齿轮(24)与内齿圈(23)啮合，内齿圈(23)和风轮(2)的轮毂共同构成轴承，风轮(2)叶片通过螺栓安装在内齿圈(23)上，风轮(2)的轮毂上安装两片叶片，并且小齿轮(24)与角位移传感器(22)安装在与轮毂固结的钢板同一面上；
所述的发电部分包括发电机(19)、多功能仪表(20)和电网(21)；
所述的液压传动部分包括第一转速转矩传感器(4)、定量泵(5)、高压管路(6)、第一单向阀(7)、第二单向阀(8)、第二溢流阀(9)、补油泵(10)、补油油箱(11)、安全阀(12)、流量传感器(13)、转速控制器(14)、变量马达(15)、功率控制器(17)、第二转速转矩传感器(16)和低压管路(30)；
风轮(2)附近安装风速传感器(1)，风轮(2)通过第一传动轴(3)与定量泵(5)主轴同轴连接；第一转速转矩传感器(4)安装在连接风轮(2)和定量泵(5)主轴的传动轴(3)上；定量泵(5)的进油口从低压管路(30)吸油，定量泵(5)的压油口通过高压管路(6)输出高压油，并在高压管路(6)上设 置流量传感器(13)；安全阀(12)跨接在高压管路(6)和低压管路(30)之间；变量马达(15)的吸油口与高压管路(6)相连，变量马达(15)的排油口与低压管路(30)相连；变量马达(15)的主轴通过第二传动轴(18)同轴连接发电机(19)的主轴，变量马达(15)同轴驱动发电机(19)发电，输入电能到电网(21)，在发电机(19)与电网(21)之间安装有多功能仪表(20)；第二转速转矩传感器(16)安装在连接变量马达(15)主轴和发电机(19)主轴的第二传动轴(18)上；补油泵(10)吸油口与补油油箱(11)相连，补油泵(10)压油口分别连接第一单向阀(7)和第二单向阀(8)的一端，第一单向阀(7)的另一端连接到高压管路(6)，第二单向阀(8)的另一端连接到低压管路(30)；第二溢流阀(9)跨接在补油泵(10)压油口与补油油箱(11)之间；功率控制器(17)输入端分别连接第一转速转矩传感器(4)、第二转速转矩传感器(16)、多功能仪表(20)、风速传感器(1)和变桨距系统的角位移传感器(22)；功率控制器(17)输出端连接变桨距系统的比例方向阀(26)；转速控制器(14)输入端分别连接流量传感器(13)、第二转速转矩传感器(16)和多功能仪表(20)，转速控制器(14)输出端连接变量马达(15)。

2.  根据权利要求1所述一种基于变桨距的低电压穿越控制系统的控制方法，其特征在于该方法包括以下内容：
当电网(21)电压跌落时，由于低电压过程极其短暂，故首先通过转速控制器(14)控制变量马达(15)摆角：转速控制器(14)通过第二转速转矩传感器(16)采集变量马达(15)的转速，流量传感器(13)采集高压管路(6)的流量，以及多功能仪表(20)采集电网(21)频率和电压，然后转速控制器(14)输出控制信号给变量马达(15)，实现对变量马达(15)摆角控制，增大变量马达(15)的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，使液压传动部分高 压管路(6)内的高压油的油压迅速降低，从而增大定量泵(5)的转速，以此将剩余能量转化为风轮(2)的动能，该控制过程保证电网(21)不脱网，使系统稳速输出，保证机组正常运行；同时通过功率控制器(17)控制变桨距系统运转：首先，功率控制器(17)通过风速传感器(1)采集风速，第一转速转矩传感器(4)采集风轮转速，通过多功能仪表(20)采集发电机(19)输出功率和电网电压，通过角位移传感器(22)采集风轮(2)叶片的桨距角；然后，功率控制器(17)输出控制信号给变桨距系统的比例方向阀(26)，使比例方向阀(26)的阀口开度减小，进而使进入液压马达(25)的流量减少，液压马达(25)与小齿轮(24)同轴刚性连接，小齿轮(24)与内齿圈(23)啮合，因此减小了风轮(2)叶片的桨距角，从而减少整个系统的能量输入，同时将剩余的能量消除；
当故障切除后，功率控制器(17)控制变桨距系统运转：首先，功率控制器(17)通过风速传感器(1)采集风速，第一转速转矩传感器(4)采集风轮(2)转速，通过多功能仪表(20)采集发电机(19)输出功率和电网(21)电压，角位移传感器(22)采集风轮(2)的叶片桨距角；然后，功率控制器(17)输出控制信号给变桨距系统比例方向阀(26)，使比例方向阀(26)的阀口开度增大，进而使进入液压马达(25)的流量增多，液压马达(25)与小齿轮(24)同轴刚性连接，小齿轮(24)与内齿圈(23)啮合，因此增大风轮(2)叶片的桨距角，从而增大整个系统的能量输入，使发电机(19)有功功率以至少11％额定功率/秒的功率变化率注入电网(21)，支撑电网(21)恢复至故障前的状态。

说明书一种基于变桨距的低电压穿越控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及液压型风力发电机组的主传动系统以及变桨距系统，用液压传动设备以及液压控制系统代替传统的传动系统，特别涉及一种基于变桨距的低电压穿越控制系统及及其控制方法。
背景技术
随着环境和能源问题的日益加剧，风力发电越来越受到国内外的关注，风力发电产业也因此迅速发展。
液压型风力发电机组作为一种新型的风力发电装置，采用定量泵-变量马达闭式液压传动系统，与励磁同步发电机有效配合，与齿轮箱式和直驱式风力发电机组相比，该机组有效地降低了机舱重量，减少了对电网的冲击，提高了发电质量。
与其他风力发电机一样，液压型风力发电机组同样需要具备低电压穿越能力，即当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。并向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。
我国对风电机组及其低电压穿越过程提出了三点要求：1)风电机组应具有在并网点电压跌至24％额定电压时能够维持并网运行729ms的低电压穿越能力；2)风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的100％时，风电机组应具有不间断并网运行的能力；3)在电网故障期间没有切出电网的风力发电机组，其有功功率在故障切除后应以至少11％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的状态。
目前，国内外均有相关的专利技术，反映出对液压型风力发电机组低电压穿越控制技术进行的一系列研究成果。
欧洲专利EP28921210A1A中记载挪威ChapDrive公司提出了一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统。该系统通过控制变量马达摆角和流量控制阀开度实现低电压穿越。故该方法存在变量马达摆角和流量控制阀开度两个控制变量，控制更加灵活，但该方法是将多余的能量转化为热量，存在一定的能量损失，并没有从根本上对机组能量进行调控，长时间能量损耗会对整个设备造成损坏。
中国专利CN1148810984A中记载燕山大学提出了一种双变量的液压型风力发电机组低电压穿越控制方法。当电网电压跌落时，该方法通过转速控制器控制变量马达摆角，功率控制器控制比例节流阀开度，最终实现低电压穿越。该方法同样存在变量马达摆角和比例节流阀两个控制变量，控制灵活，但该方法仍是将多余能量转化为热能，并没有从根本上减少能量的输入，长时间会对整个设备造成损坏，同时由于在高压管路上安装了节流阀，存在一定的能量损失。
中国专利CN11547210710A中记载燕山大学提出了一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统及方法，该系统是通过变量马达摆角和泵-马达摆角两个变量来实现低电压穿越的。该方法对液压系统剩余能量实施合理分配与存储，但并没有从源头上将能量进行实时调控。
综上所述，现有的液压型风力发电机组低电压穿越控制方法大多在控制过程中不能从根源上将能量进行实时调控。为克服上述存在的技术缺陷，亟需提供一种新型的液压型风力发电机组低电压穿越控制方法。
发明内容
针对上述存在的技术缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种基于变桨距的液压型风力发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法，用于电网出现故障导致电网电压跌落时对机组进行控制。该控制方法具备传统液压型风力发电机组传动灵活、可靠性高的优点，能精确地实现风机在低电压穿越过程中的实时变桨控制，从源头上对机组能量进行调控，解决在低电压穿越过程中存在的能量剩余问题。
为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于变桨距的低电压穿越控制系统，该系统主要由三部分组成：风力机部分、液压传动部分和发电部分，风力机部分与液压传动部分同轴刚性连接，液压传动部分与发电部分同轴刚性连接；
所述的风力机部分主要包括风速传感器1、风轮2和变桨距系统；
所述的变桨距系统包括角位移传感器22、内齿圈23、小齿轮24、液压马达25、比例方向阀26、第一溢流阀27、变量泵28和第一油箱29；其中变量泵28的吸油口从第一油箱29吸油，变量泵28的压油口分别连接第一溢流阀27的进油口和比例方向阀26的P口，比例方向阀的26的出油口A和B分别连接液压马达25的两个油口，比例方向阀26与功率控制器17连接，并由后者输出控制信号，控制比例方向阀26的阀口开度，液压马达25与小齿轮24同轴连接，小齿轮24与内齿圈23啮合，内齿圈23和风轮2的轮毂共同构成轴承，风轮2叶片通过螺栓安装在内齿圈23上，风轮2的轮毂上安装两片叶片，并且小齿轮24与角位移传感器22安装在与轮毂固结的钢板同一面上；
所述的发电部分包括发电机19、多功能仪表20和电网21；
所述的液压传动部分包括第一转速转矩传感器4、定量泵5、高压管路6、第一单向阀7、第二单向阀8、第二溢流阀9、补油泵10、补油油箱11、安全阀12、流量传感器13、转速控制器14、变量马达15、功率控制器17、第二转速转矩传感器16和低压管路30；
风轮2附近安装风速传感器1，风轮2通过第一传动轴3与定量泵5主轴同轴连接；第一转速转矩传感器4安装在连接风轮2和定量泵5主轴的传动轴3上；定量泵5的进油口从低压管路30吸油，定量泵5的压油口通过高压管路6输出高压油，并在高压管路6上设置流量传感器13；安全阀12跨接在高压管路6和低压管路30之间；变量马达15的吸油口与高压管路6相连，变量马达15的排油口与低压管路30相连；变量马达15的主轴通过第二传动轴18同轴连接发电机19的主轴，变量马达15同轴驱动发电机19发电，输入电能到电网21，在发电机19与电网21之间安装有多功能仪表20；第二转速转矩传感器16安装在连接变量马达15主轴和发电机19主轴的第二传动轴18上；补油泵10吸油口与补油油箱11相连，补油泵10压油口分别连接第一单向阀7和第二单向阀8的一端，第一单向阀7的另一端连接到高压管路6，第二单向阀8的另一端连接到低压管路30；第二溢流阀9跨接在补油泵10压油口与补油油箱11之间；功率控制器17输入端分别连接第一转速转矩传感器4、第二转速转矩传感器16、多功能仪表20、风速传感器1和变桨距系统的角位移传感器22；功率控制器17输出端连接变桨距系统的比例方向阀26；转速控制器14输入端分别连接流量传感器13、第二转速转矩传感器16和多功能仪表20，转速控制器14输出端连接变量马达15。
所述一种基于变桨距的低电压穿越控制系统的控制方法，在电网出现故障导致电网电压跌落时，从能量根源上减少系统能量的输入，协调能量的原则为变量马达摆角控制优先，将系统中的剩余能量存储到风轮，同时控制变桨距系统比例方向阀的阀口开度，改变液压马达的摆角，进而改变叶片的桨距角，改变系统能量的输入。其具体步骤包括以下内容：
当电网21电压跌落时，由于低电压过程极其短暂，故首先通过转速控制器14控制变量马达15摆角：转速控制器14通过第二转速转矩传感器16采集变量马达15的转速，流量传感器13采集高压管路6的流量，以及多功能仪表20采集电网21频率和电压，然后转速控制器14输出控制信号给变量马达15，实现对变量马达15摆角控制，增大变量马达15的排量，使液压传动部分高压管路6内的高压油的油压迅速降低，从而增大定量泵5的转速，以此将剩余能量转化为风轮2的动能，该控制过程保证电网21不脱网，使系统稳速输出，保证机组正常运行；同时通过功率控制器17控制变桨距系统运转：首先，功率控制器17通过风速传感器1采集风速，第一转速转矩传感器4采集风轮转速，通过多功能仪表20采集发电机19输出功率和电网电压，通过角位移传感器22采集风轮2叶片的桨距角；然后，功率控制器17输出控制信号给变桨距系统的比例方向阀26，使比例方向阀26的阀口开度减小，进而使进入液压马达25的流量减少，液压马达25与小齿轮24同轴刚性连接，小齿轮24与内齿圈23啮合，因此减小了风轮2叶片的桨距角，从而减少整个系统的能量输入，同时将剩余的能量消除；
当故障切除后，功率控制器17控制变桨距系统运转：首先，功率控制器17通过风速传感器1采集风速，第一转速转矩传感器4采集风轮2转速，通过多 功能仪表20采集发电机19输出功率和电网21电压，角位移传感器22采集风轮2的叶片桨距角；然后，功率控制器17输出控制信号给变桨距系统比例方向阀26，使比例方向阀26的阀口开度增大，进而使进入液压马达25的流量增多，液压马达25与小齿轮24同轴刚性连接，小齿轮24与内齿圈23啮合，因此增大风轮2叶片的桨距角，从而增大整个系统的能量输入，使发电机19有功功率以至少11％额定功率/秒的功率变化率注入电网21，支撑电网21恢复至故障前的状态。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明有两个控制变量，分别为变桨距系统的比例方向阀的阀口开度和定量泵-变量马达传动系统的变量马达摆角，两者相互协调，使低电压穿越控制更加灵活，同时确保控制过程中的快速性和可靠性；
2、本发明在低电压穿越过程中，变桨距系统能够对系统中输入的能量进行实时调控，解决了系统剩余能量的问题，避免了多余的能量长时间存在对系统的损坏。
本发明通过变桨距系统可解决系统剩余能量的问题，从根源上协调能量，有效地避免了低电压穿越过程中剩余能量处理的问题。
附图说明
图1表示本发明的液压原理及硬件配置系统图；
图2表示本发明的控制系统原理图；
图3表示本发明的变桨距系统的结构示意图；
图4表示本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：一种基于变桨距的低电压穿越控制系统，其液压原理及硬件配置系统图和控制系统原理如图1、图2所示，该系统主要由三部分组成：风力机部分、液压传动部分和发电部分，风力机部分与液压传动部分同轴刚性连接，液压传动部分与发电部分同轴刚性连接；
所述的风力机部分主要包括风速传感器1、风轮2和变桨距系统；
所述的变桨距系统，其结构示意图如图3所示，它包括角位移传感器22、内齿圈23、小齿轮24、液压马达25、比例方向阀26、第一溢流阀27、变量泵28和第一油箱29；其中变量泵28的吸油口从第一油箱29吸油，变量泵28的压油口分别连接第一溢流阀27的进油口和比例方向阀26的P口，比例方向阀的26的出油口A和B分别连接液压马达25的两个油口，比例方向阀26与功率控制器17连接，并由后者输出控制信号，控制比例方向阀26的阀口开度，液压马达25与小齿轮24同轴连接，小齿轮24与内齿圈23啮合，内齿圈23和风轮2的轮毂共同构成轴承，风轮2叶片通过螺栓安装在内齿圈23上，风轮2的轮毂上安装两片叶片，并且小齿轮24与角位移传感器22安装在与轮毂固结的钢板同一面上；
所述的发电部分包括发电机19、多功能仪表20和电网21；
所述的液压传动部分包括第一转速转矩传感器4、定量泵5、高压管路6、第一单向阀7、第二单向阀8、第二溢流阀9、补油泵10、补油油箱11、安全阀12、流量传感器13、转速控制器14、变量马达15、功率控制器17、第二转速转矩传感器16和低压管路30；
风轮2附近安装风速传感器1，风轮2通过第一传动轴3与定量泵5主轴同 轴连接；第一转速转矩传感器4安装在连接风轮2和定量泵5主轴的传动轴3上；定量泵5的进油口从低压管路30吸油，定量泵5的压油口通过高压管路6输出高压油，并在高压管路6上设置流量传感器13；安全阀12跨接在高压管路6和低压管路30之间；变量马达15的吸油口与高压管路6相连，变量马达15的排油口与低压管路30相连；变量马达15的主轴通过第二传动轴18同轴连接发电机19的主轴，变量马达15同轴驱动发电机19发电，输入电能到电网21，在发电机19与电网21之间安装有多功能仪表20；第二转速转矩传感器16安装在连接变量马达15主轴和发电机19主轴的第二传动轴18上；补油泵10吸油口与补油油箱11相连，补油泵10压油口分别连接第一单向阀7和第二单向阀8的一端，第一单向阀7的另一端连接到高压管路6，第二单向阀8的另一端连接到低压管路30；第二溢流阀9跨接在补油泵10压油口与补油油箱11之间；功率控制器17输入端分别连接第一转速转矩传感器4、第二转速转矩传感器16、多功能仪表20、风速传感器1和变桨距系统的角位移传感器22；功率控制器17输出端连接变桨距系统的比例方向阀26；转速控制器14输入端分别连接流量传感器13、第二转速转矩传感器16和多功能仪表20，转速控制器14输出端连接变量马达15。
所述一种基于变桨距的低电压穿越控制系统的控制方法，该方法包括以下内容：
当电网21电压跌落时，由于低电压过程极其短暂，故首先通过转速控制器14控制变量马达15摆角：转速控制器14通过第二转速转矩传感器16采集变量马达15的转速，流量传感器13采集高压管路6的流量，以及多功能仪表20采集电网21频率和电压，然后转速控制器14输出控制信号给变量马达15，实现 对变量马达15摆角控制，增大变量马达15的排量，使液压传动部分高压管路6内的高压油的油压迅速降低，从而增大定量泵5的转速，以此将剩余能量转化为风轮2的动能，该控制过程保证电网21不脱网，使系统稳速输出，保证机组正常运行；同时通过功率控制器17控制变桨距系统运转：首先，功率控制器17通过风速传感器1采集风速，第一转速转矩传感器4采集风轮转速，通过多功能仪表20采集发电机19输出功率和电网电压，通过角位移传感器22采集风轮2叶片的桨距角；然后，功率控制器17输出控制信号给变桨距系统的比例方向阀26，使比例方向阀26的阀口开度减小，进而使进入液压马达25的流量减少，液压马达25与小齿轮24同轴刚性连接，小齿轮24与内齿圈23啮合，因此减小了风轮2叶片的桨距角，从而减少整个系统的能量输入，同时将剩余的能量消除；
当故障切除后，功率控制器17控制变桨距系统运转：首先，功率控制器17通过风速传感器1采集风速，第一转速转矩传感器4采集风轮2转速，通过多功能仪表20采集发电机19输出功率和电网21电压，角位移传感器22采集风轮2的叶片桨距角；然后，功率控制器17输出控制信号给变桨距系统比例方向阀26，使比例方向阀26的阀口开度增大，进而使进入液压马达25的流量增多，液压马达25与小齿轮24同轴刚性连接，小齿轮24与内齿圈23啮合，因此增大风轮2叶片的桨距角，从而增大整个系统的能量输入，使发电机19有功功率以至少11％额定功率/秒的功率变化率注入电网21，支撑电网21恢复至故障前的状态。
本发明包含定量泵-变量马达速度控制系统和变桨距控制系统，而且有两个可控制变量：变桨距系统的液压马达摆角和定量泵-变量马达传动系统的变量马 达摆角。
图4所示是本发明种基于变桨距的低电压穿越控制系统的控制方法的工作流程图。首先，转速控制器14和功率控制器17通过多功能仪表20实时监控电网电压状态，当检测到电网21任意一相电压跌落使电网21电压低于额定电压的100％时，转速控制器14控制变量马达15摆角将剩余能量存储到风轮2，当风轮2存储能量达到设定值时，功率控制器17控制变桨距系统的比例方向阀26的阀口开度减小，进而减小风轮2的桨叶的桨距角，来降低整个系统能量的输入。
其次，功率控制器17通过多功能仪表20检测三相电网任意一相的电压是否在2s内均高于电网额定电压的100％。如果是，增大比例方向阀26的阀口开度，增大进入液压马达25的流量，变桨距系统的液压马达25的摆角增大，进而增大风轮2的桨叶的桨距角，使发电机19有功功率以至少11％额定功率/秒的功率变化率注入电网，支撑电网恢复至故障前的状态，完成低电压穿越；否则，低电压穿越2s内未结束，说明此时电网21发生了短时间内无法修复的故障，风力发电机组切出电网。
本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。